第十八章_燃料和工业化学品.ppt

1、微生物工程与设备,湖师院生科院,第一节 谷氨酸,生物合成途径：糖经过酵解途径（EMP)和单磷酸己糖途径（HMP）生成丙酮酸。一方面，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA，另一方面，经CO2固定作用生成草酰乙酸，两者合成柠檬酸进入三羧酸循环（TCA循环），由三羧酸循环的中间产物-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶催化下，还原氨基化合成谷氨酸。 合成途径包括EMP、HMP、TCA循环，乙醛酸循环（DCA）和CO2的固定作用。,总反应式 C6H12O6+NH3+3/2O2 C5H9O4N+CO2+3H2O 理论转化率：（147/180）100%=81.7%,第十八章 燃料和工业化学品,谷氨酸的生物合成途径,第一节 谷

2、氨酸,一、EMP和HMP,1. EMP途径,葡萄糖 丙酮酸 生成不同产物,2. HMP途径,6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶作用下氧化生成6-磷酸葡萄糖酸，后者生成5-磷酸戊糖，通过戊糖代谢分解成3C化合物和2C化合物，3C化合物与EMP途径联系，2C化合物进入TCA.,第一节 谷氨酸,生物素充足菌：HMP途径所占比例为38% 生物素亚适量菌：HMP途径所占比例为26%,第一节 谷氨酸,一、EMP和HMP,二、TCA、DCA和CO2固定作用,1. TCA循环,-酮戊二酸脱氢酶： 活力很弱，使糖代谢流进入TCA循环后受阻在-酮戊二酸处，在有NH4+存在下，由谷氨酸脱氢酶催化还原氨基化生成谷氨

3、酸,第一节 谷氨酸,2. DCA循环（乙醛酸循环）,作为TCA循环有缺陷时C4二羧酸的补充，特别是以醋酸和乙醇为原料的谷氨酸发酵，它是C4二羧酸的唯一补充来源 作为能量供给来源的末端氧化系,3C6H12O6 6丙酮酸 6醋酸 6醋酸 +2NH3+3O2 2C5H9O4N+2CO2+6H2O,转化率：2 147/（3180）100%=54.4%,二、TCA、DCA和CO2固定作用,第一节 谷氨酸,3. CO2固定,在谷氨酸产生菌中已检出两种CO2固定酶： 磷酸烯醇丙酮酸（PEP）羧化酶和苹果酸酶,PEP羧化酶对PEP的表现亲和力约是丙酮酸激酶的1/10,二、TCA、DCA和CO2固定作用,第一节

4、 谷氨酸,所以在谷氨酸发酵中，糖的分解代谢途径与CO2固定的适当比例是提高谷氨酸对糖收率的关键问题。,第一节 谷氨酸,三、氨的导入,糖代谢中间体-酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸 天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移作用将氨基转给-酮戊二酸而生成 谷氨酸合成酶途径,导入方式,异柠檬酸脱氢酶：需NADP为辅酶，催化-酮戊二酸的生成（谷氨酸的前体），并为谷氨酸脱氢酶提供辅酶 谷氨酸脱氢酶：需NADPH+H+为辅酶,活细胞中，异柠檬酸脱氢酶活性小于谷氨酸脱氢酶活性,第一节 谷氨酸,黄色短杆菌中，谷氨酸脱氢酶对-酮戊二酸和谷氨酸表现出同促相互作用，低浓度的-酮戊二酸和谷氨酸对此酶有显著的激活作用。 谷氨酸的生成被

5、反应产物谷氨酸所抑制。 逆反应又被NH4+和-酮戊二酸所抑制。,生物素缺乏菌,NH4+存在：葡萄糖消耗速度快，谷氨酸生成收率高 NH4+不存在：糖消耗速度慢，生成物是-酮戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸,生物素充足菌：NH4+几乎不影响糖代谢,生物素和NH4+对糖代谢的影响：,三、氨的导入,第一节 谷氨酸,20世纪70年代初，在细菌中发现了谷氨酸合成酶途径,谷氨酸合成酶对NH4+的亲和力比谷氨酸脱氢酶强的多。,谷氨酸发酵，细胞内的谷氨酸浓度高，反馈抑制谷氨酸脱氢酶活性，但不抑制谷氨酸合成酶,三、氨的导入,第一节 谷氨酸,在生物素贫乏和丰富培养基中生长的黄色短杆菌体内游离的和培养基中存在的氨基酸组成

6、及洗涤影响,第一节 谷氨酸,四、菌种选育,在生物素贫乏培养基中积累大量谷氨酸，而在生物素丰富的培养基中几乎不积累谷氨酸 生物素贫乏的细胞内，谷氨酸含量少，而且容易被洗出，在生物素丰富的细胞内含有大量谷氨酸，而且不易被洗出，只有用表面活性剂处理才能洗出,硫殖短杆菌体内油酸量和体外谷氨酸生成量,研究发现一些菌体内，当饱和脂肪酸增加，不饱和脂肪酸减少，它们间的比例超过1时，有利于谷氨酸的分泌。,不饱和脂肪酸以油酸为主，油酸对细胞膜的谷氨酸通透性不利，有碍谷氨酸排出体外,第一节 谷氨酸,四、菌种选育,后来研究发现细胞膜的谷氨酸通透性受细胞膜的磷脂含量控制，关于不饱和脂肪酸对谷氨酸分泌的影响，也是由于不饱和脂肪酸减少而导致磷脂含量减少。,细菌细胞的谷氨酸排出控制机制,第一节 谷氨酸,四、菌种选育,磷 脂 结 构,第一节 谷氨酸,四、菌种选育,1、生物素缺陷型,生物素：脂肪酸生物合成中乙酰-CoA羧化酶的辅酶，催化乙酰CoA合成丙二酰- CoA,第一节 谷氨酸,四、菌种选育,生物素缺陷型： 阻断了生物素的合成，限制外源生物素供应量 抑制了不饱和脂肪酸的合成 磷脂含量减少，从而含量不足 细胞膜结构不完整 提高了细胞膜的谷氨酸通透型,当原料中生物素丰富，则可以在发酵过程中添加： 饱和脂肪酸的表面活性剂：促使脂肪酸和它的表面活性 剂对生物素有拮抗作用，阻断不饱和脂肪酸的合成 青霉素：抑制细胞